Gezielte Chromosomenveränderungen im Weizen durch CRISPR/Cas-Technologie
Ein Forscherteam des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) hat erstmals erfolgreich Chromosomen in Pflanzen mit komplexen Genomen, wie Weizen, gezielt verkürzt oder vollständig entfernt. Hierfür nutzten die Wissenschaftler die Genschere CRISPR/Cas, die an repetitiven DNA-Abschnitten ansetzt. Die Ergebnisse, veröffentlicht im Fachjournal Plant Communications, eröffnen neue Möglichkeiten zur Beschleunigung von Züchtungsprozessen.
Herausforderungen bei der Chromosomenmanipulation in Nutzpflanzen
Während die gezielte Bearbeitung ganzer Chromosomen in Modellorganismen wie Arabidopsis thaliana bereits etabliert ist, stellte dies bei Nutzpflanzen mit großen Genomen bislang eine erhebliche Schwierigkeit dar. Das IPK-Team untersuchte, ob sogenannte Satelliten-DNA, also häufig wiederholte DNA-Sequenzen, als Ansatzpunkte für CRISPR/Cas geeignet sind. Die Hypothese lautete, dass gleichzeitige Schnitte an vielen identischen Stellen das gesamte Chromosom beeinflussen können.
Innovativer Einsatz eines virusbasierten Systems
Zur Übertragung der CRISPR-Komponenten in die Pflanzen verwendeten die Forschenden ein virusbasiertes System. Dieser Ansatz ermöglichte es, langwierige traditionelle Transformationsverfahren zu umgehen und eine effiziente chromosomale Modifikation zu erreichen.
Ergebnisse und Mechanismen der Chromosomenveränderung
- Dr. Jianyong Chen, Erstautor der Studie, beschreibt, dass Chromosomen durch gezielte Schnitte an Satelliten-DNA erfolgreich verkürzt werden können. Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt dar, da solche Veränderungen bisher nur zufällig auftraten.
- Das Prinzip lässt sich mit einem Seil vergleichen: Mehrfache Schnitte führen zu Instabilität und Bruch des Chromosoms.
- In einigen Fällen führte die Methode zum vollständigen Verlust ganzer Chromosomen, da die Zelle bei zu vielen Brüchen keine Reparatur mehr leisten kann (Prof. Dr. Andreas Houben, Leiter der Arbeitsgruppe „Chromosomenstruktur und Chromosomenfunktion“).
- Fehlerhafte Reparaturprozesse können zudem zur Entstehung neuer Chromosomenformen, sogenannten Isochromosomen, führen. Diese entstehen durch Neuarrangements und bilden neue genetische Varianten.
Bedeutung für die Pflanzenzüchtung
Die Fähigkeit, Chromosomen gezielt zu verkürzen oder zu eliminieren, eröffnet neue Perspektiven für die Züchtung. Insbesondere können neue genetische Varianten als Grundlage für die Entwicklung von Weizensorten mit verbesserten Eigenschaften dienen. Die Studie zeigt, dass Satelliten-DNA, die lange Zeit als „genetischer Ballast“ galt, eine zentrale Rolle als Zielregion für moderne Züchtungswerkzeuge einnimmt.
Durch die gezielte Bearbeitung der Chromosomenstruktur und -anzahl bei Pflanzen mit großen Genomen wird es möglich, erwünschte Merkmale von Wildverwandten effizient in moderne Weizensorten zu integrieren.
Kontakt für wissenschaftliche Rückfragen
Prof. Dr. Andreas Houben
Telefon: +49 39482 5486
E-Mail: houben@ipk-gatersleben.de
Originalpublikation
Chen et al. (2026): Satellite DNA-targeted CRISPR/Cas9-mediated editing enables chromosome truncation and elimination in wheat. Plant Communications.
DOI: 10.1016/j.xplc.2026.101833
